FRP组合结构在结构工程中的应用与发展

FRP组合结构在结构工程中的应用与发展

潘书亮

（身份证号：1304231984****4332，河北石家庄050000）

摘要：FRP混凝土组合结构可以充分发挥FRP的抗拉强度和混凝土的抗压强度，同时降低成本，是一种理想的FRP组合结构形式。

关键词：FRP；混凝土；组合结构

纤维增强复合材料（FRP）从上世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等工业领域得到了广泛的应用。近年来，FRP又以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料。除了应用FRP片材加固修补结构工程外，FRP结构和FRP组合结构的应用也日益受到工程界的重视。

为了使FRP合理有效地用于新建结构，应尽量降低其自身缺点的影响，因此，当FRP用于新建结构时应遵循三个主要原则：1）从结构的全寿命来考虑，造价合理；2）尽可能用于抵抗拉力；3）FRP的耐火性能对设计不起决定作用。桥梁结构或其它户外结构自然满足原则，而前两个原则意味着FRP应与其它材料联合使用以形成组合结构。

基于上述讨论，可见组合结构领域应该是FRP在新建结构中应用的重点发展方向，且FRP应尽量与钢材或混凝土这两种传统的结构材料组合，这样才能降低结构的造价。

1新时代对于建筑材料的新要求以及新挑战

1.1要求混凝土具有高强度以及高性能

在进行建筑的施工时，要增加混凝土的延展性，施工性以及耐久性，要求混凝土具有高强度以及高性能便要加强对建筑材料的研制力度，使混凝土更加适应现今建筑的要求。

1.2要求材料具有较强的抗腐蚀性

在进行建筑施工时，要寻求一种抗腐蚀性较强的材料替换混凝土结构的钢筋，钢绞线以及钢丝。

1.3要求材料具有较高的承载力

在进行建筑的修补以及加固时，使用的材料要尽可能的增加建筑的整体承载力，从而方面施工人员进行具体的加固工作。

1.4要求材料具有可回收利用性质

我国实行可持续发展的战略，对于建筑领域所使用的建筑材料要充分考虑环境因素，使用国家的可持续发展政策，提高材料的科技含量，从而使建筑材料具有可回收再利用的性质。

2FRP-混凝土组合结构

FRP-混凝土组合梁、板是一种合理的FRP与混凝土组合的结构形式，其设计概念与钢-混凝土组合梁、板相同：上部为混凝土主要受压，下部为FRP构件主要受拉，它们之间通过剪力连接件使两者协同工作，使FRP得到充分利用，并获得较大的刚度；同时，FRP构件可兼为模板，便于施工。FRP组合梁、板的研究在各国都有开展，FRP型材的形式和种类多样，剪力传递的方式也多样，包括：接触摩擦、粘结、螺栓、特制剪力件等。但这种结构形式目前在实际工程中的应用却不多。北京密云的FRP桥经过改造后成为FRP-混凝土组合箱梁桥，该工程的实践表明，组合构件比单纯的FRP构件的刚度大，同时可避免一些局部破坏的发生。

3FRP管混凝土结构

缠绕成型的FRP管中填充混凝土，形成FRP管混凝土组合构件是最为合理的一种FRP-混凝土组合结构构件，且FRP管可以充当模板，节省模板消耗，提高施工速度，并具有很好的耐久性。由于它的优势非常明显，在结构工程中已得到广泛的应用。

FRP管混凝土结构由于FRP管的约束作用，使内部混凝土的强度得到了很大提高，延性也有所改善，同时FRP管能够有效保护混凝土防止其受腐蚀，而且由于混凝土的支撑作用也可防止外FRP管发生局部屈曲。截面形式。

4高性能材料FRP

近几十年来，随着科学技术水平的提升，国际上相机开发出具有多种性能的非金属增强材料，即纤维增强复合材料。这类新型的增强材料主要包括几个方面，例如，玻璃的纤维（GFRP）、芳纶的纤维（AFRP）以及碳纤维（CFRP）。利用一定的制作技术将各种不同烈性的纤维材料与特定的树脂材料结合而成，形成一个新的纤维增强的符合材料。这种材料具有一定的优势，首先，其抗腐蚀的能力较其他的材料来说更强，拥有较强的耐久性。其次，其材料抗压的强度较高，自重较小。最后，其具有高弹性，变形能力较好且抗疲劳能力较强。但是，纤维增强复合材料也具有一定的不足，即GFRP的筋相对于钢筋来说要低得多，具有高电阻、低磁感应。

FRP材料早已在航空工业领域以及国防建设中被广泛应用，甚至在体育事业中也有所应用。主要是因为其化学性能稳定，质强比高。然而，在过去的工程结构中，FRP的应用程度还不算好大，虽然其具有很多的优点，但是其材料的加工较为昂贵，制作费用较高。伴随着经济的发展，工艺的改进，这类问题得到了一定的解决，其经济性得到了好转。因此，就目前的形式来看，CFRP要比AFRP以及GFRP在土木工程的建筑中有着更广阔的应用前景。因为其性能好且具有稳定性，原材料甚至可以没有限制的获得。其乱向短纤维被投入混凝土中使用，能够在很大的程度上提高混凝土的抗裂性，以及其延伸的能力，并在一定程度上提高其承载能力。将CFRP筋在混凝土内进行配置，可以取代钢筋，即使混凝土结构处于较为恶劣的环境中，也不用担心其被腐蚀。如若用其制作呈索，就是CFRP绞线，以其代替钢绞线，进行先张法或者是后张法的预应力混凝土结构的制作，对土木工程师有着强大的吸引力，是工程师苦苦寻找的材料。利用CFRP来制作不了或者薄板，用于混凝土结构的外面，能够起到一定的加固效果，不仅可以提升受压承载能力，还可以在最大程度上使裂缝的宽度减小，甚至能够将外包柱的延展性能以及抗震性能得到提高。CFRP索是可以用来代替岩石锚杆的，因为其可以抵抗酸碱介质等的侵蚀，避免在使用期间发生需要更换的现象。还值得一提的是，如果利用CFRP来代替钢索，并投入悬索桥的建造中，可以增加其跨度。

5高性能材料FRP应用与结构工程创新

对于高性能材料FRP应用与结构工程创新要继续深入对其的研究力度，进一步加快我国的FRP应用的进程，从而促进我国建筑领域的创新。具体方式如下：

要正确对待CFRP、GFRP、AFRP这三种建筑材料，在应用方面，首先要考虑对CFRP的使用，由于其对工程的具体实施较为有利，因此，应着重考虑CFRP。我国现阶段的建筑领域，对于建筑的加固材料的应用也应首先考虑CFRP，CFRP布可以用于桥梁的架构的中以及建筑结构中，增加建筑以及桥梁的整体承载力以及抗震能力。AFRP由于其本身固有的易裂变的特点，所以对其的使用不应运用在预应力筋的使用上，GFRP筋也是如此。对于FRP筋的应用范围应进行进一步的开发。虽然AFRP以及GFRP筋不能作为预应力筋使用，但其可以作为体外索进行使用，在对其进行使用的过程中，要注意对其配筋方式的规范。在我国CFRP筋、GFRP筋、AFRP筋这三种建筑材料的使用仍然具有较大的发展潜力。在三种材料中GFRP、AFRP的抗腐蚀性较强，但AFRP在较为潮湿的环境下，其承载能力便会较少，因此，GFRP、AFRP可以作为土层的锚杆进行使用。虽然FRP材料具有轻便性以及耐腐蚀性但其也存在延展性差以及热稳定性差的特点，在市场中其材料的成本较同等材料高，因此，对于这种材料的使用还很难达到大规模的普及，只有在高腐蚀性的环境以及对于磁力具有较高要求的环境中使用。随着FRP在建筑领域的应用，促进了我国土木工程的进一步发展。

6结语

FRP材料在结构工程中有着非常广阔的应用前景，但仍有大量关于FRP结构和FRP组合结构基本理论和设计方法的科研工作亟待进行，FRP-混凝土组合结构充分发挥了FRP与混凝土的力学特性，截面形式多样，能够较好地承受荷载，具有良好的抗弯、抗疲劳性能，是取代传统钢筋混凝土结构的较佳选择。

参考文献

[1]冯鹏，叶列平.FRP结构和FRP组合结构在结构工程中的应用与发展[C]，第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会议论文集，北京：清华大学出版社，2002：51-63.

[2]秦国鹏，王连广，周乐.GFRP管混凝土组合柱轴压性能研究[J]，工业建筑，2009，39(10)：72-75.